Využití odpadního tepla z chladicího zařízení
V článku podává autor informaci o konkrétním způsobu chlazení technologické vody velkým průmyslovým tepelným čerpadlem. Tento druh tepelných čerpadel bude nacházet uplatnění v průmyslových závodech.
Recenzent: Miroslav Štorkan
Úvod
Pro využití odpadního tepla z chladicího zařízení, určeného pro chlazení technologické vody, bylo dodavatelem technologie chladicího zařízení navrženo použití tzv. „průmyslového tepelného čerpadla“.
Termín „průmyslové tepelné čerpadlo“ je použit k definici systému/jednotky zajišťujícího poměrně velký topný výkon (typicky Q > 500 kW). To je odlišuje od tzv. „komerčních“ systémů tepelných čerpadel (výkony 20 kW < Q < 500 kW) a „domácích“ systémů tepelných čerpadel (výkony Q < 20 kW). V tomto smyslu definovaná tepelná čerpadla mohou najít svá uplatnění v různých oborech použití průmyslu jako jsou potravinářské závody a pivovary, papírny, chemické a farmaceutické závody apod.
Zde popisovaná aplikace využití odpadního tepla z chladicího zařízení slouží pro udržování teploty hmoty na hodnotě cca 45 až 50 °C ve stávajících technologických zařízeních a duplikátorových potrubích a v otopném období i pro vytápění objektů a pro VZT zařízení.
Technické řešení
Koncepce řešení otopné soustavy odebírající odpadní teplo z chladicího zařízení je patrná ze schématu principiálního zapojení (viz obr. 3). Zdrojem tepla zařízení, realizovaného v roce 2009 (princip zapojení chladicího zařízení viz obr. 1), je kondenzátor chladicího zařízení o jmenovitém výkonu 450 kW a teplotě otopné vody 45/52 °C. Při této realizaci byl princip níže popisovaného zapojení úspěšně vyzkoušen. Podmínkou takového řešení je ovšem současná potřeba jak chladu, tak tepla.
V současné době se postupně realizuje nové zařízení o jmenovitém tepelném výkonu 1500 kW a s teplotním spádem 55/75 °C (princip zapojení chladicího zařízení viz obr. 2). Nyní (prosinec 2011) je ve zkušebním provozu 1. etapa předmětné akce, během které byly zatím instalovány dva z celkem projektovaných tří kompresorů pro chladicí zařízení a maximální odběr tepla pro druhotné využití je v současnosti 1000 kW.
Jako záložní zdroj tepla je v sérii pro případ odstavení chladicího zařízení nebo při požadavku vyrobit otopnou vodu o teplotě vyšší než 75 °C (typicky v otopném období) výměníková stanice pára-voda.
Základní částí teplovodní soustavy je uzavřený „vysokoodporový“ okruh, ze kterého jsou potom napojeny jednotlivé odběry tepla se samostatnými oběhovými čerpadly a se samostatnou regulací výstupní otopné vody v okruhu.
Oběh otopné vody zajišťuje hlavní oběhové čerpadlo s frekvenčním měničem. Frekvenční měnič je řízen (v rozsahu 25 až 100 % ot.) pro udržování minimálního konstantního tlakového rozdílu mezi přívodem a zpátečkou.
Jednotlivé regulované topné okruhy jsou zapojeny se vstřikováním a osazené tlakově nezávislými regulačními ventily a pevným zkratem. Otopná voda pro technologii (ohřev hmot) musí být s ohledem na firemní předpisy oddělena od otopné soustavy. Obdobně jako technologie je řešena i centrální příprava teplé vody (ohřev v deskovém výměníku s akumulační nádobou a nabíjecím čerpadlem). Odběr tepla pro stávající systémy vytápění a VZT zařízení je řešen tlakově závislým připojením.
Celkový průtok je snímán instalovaným průtokoměrem s měřičem tepla, jehož výstup o průtoku slouží i pro řízení tlakově nezávislého regulačního ventilu ve zkratu k zajištění požadovaného minimálního průtoku.
Celý systém využití odpadního tepla z chladicího zařízení (jak primární strana – chlazení, tak i sekundární strana – včetně záložního zdroje (parní VS) a předávacích stanic) je vizualizován na PC v energetickém dispečinku.
Prvotní návrh hydraulického zapojení s hydraulickým oddělovačem k zajištění původně požadovaného konstantního průtoku novým kondenzátorem chladicího zařízení (původní kondenzátor slouží jako nouzový chladič) byl zamítnut z důvodu nebezpečí průtokové a teplotní nekompatibility (nepřípustné zvyšování teploty zpátečky při snižování odběru tepla). Navržen byl nakonec systém s proměnným průtokem – minimální průtok je cca 50 % max. průtoku, který byl ještě možný pro spolehlivé předávání tepla ve vysokotlakém kondenzátoru a omezení nebezpečí jeho zanášení.
Velkou neznámou byl požadovaný odběr tepla pro technologii – průtoky vysoké (z hlediska potřeby tepla i proměnné díky technologickým přestávkám či odstávkám), teplotní spády velmi malé (2 až 4 K). Z toho důvodu byl navržen systém s tlakově nezávislými 2cestnými regulačními a vyvažovacími ventily. Pomocí tlakově nezávislých regulačních ventilů se omezí i maximální průtok do jednotlivých okruhů, takže např. nemůže dojít ke stržení průtoku jednoho okruhu okruhem jiným. Tlakově nezávislé regulační ventily udržují na regulační kuželce konstantní rozdíl tlaků (pomocí vestavěného regulátoru tlaku), takže regulační armatura pracuje s autoritou 100 % a její charakteristika není ovlivňována změnami dispozičního tlaku v místě připojení.
Pro odhad hodnot průtoků a odebíraných výkonů jednotlivých technologických odběrů byly k dispozici pouze stávající oběhová čerpadla a dimenze na začátku páteřních větví potrubních rozvodů, protože investor nebyl schopen předat relevantní hodnoty či schéma zařízení nebo původní projektovou dokumentaci. Proto bylo nutné vycházet ze stávajícího stavu (zmapování celkového stavu systému nebylo prakticky možné jak pro nepřístupnost velké části rozvodů, tak pro nedostatek času při zpracovávání projektové dokumentace). Jako rychlá pomůcka k odhadu průtoků danými dimenzemi potrubí se osvědčila tabulka s průtoky vody pro daný tlakový spád (vhodná pro tepelné sítě) – viz tab. 1.
První zkušenosti z uvádění do provozu
Na podzim roku 2011 se postupně realizovala a uváděla do provozu 1. etapa projektu, a to prakticky za plného provozu výroby. Velmi vhodným se ukázala, jako první v pořadí, instalace záložního zdroje tepla (VS pára-voda) s primárním okruhem otopné soustavy, na který se postupně připojovaly nové či zrekonstruované předávací stanice tepla, protože v začátcích přepojování byl připojovaný výkon velmi malý pro chod byť pouze jednoho kompresoru chladicího zařízení. Minimální odběr pro trvalý chod kompresoru zde činí cca 66 % z max. výkonu 500 kW, tj. cca 330 kW, takže ze začátku musel být ohřev otopné vody prováděn pouze ve VS pára-voda.
V souvislosti s tím se ukázalo, že odběry tepla některých technologických zařízení byly menší, než se předpokládalo: extrémním případem byla skutečnost 10 % z předpokládaného výpočtového výkonu. Tyto disproporce byly způsobeny, jak se postupně na jednáních s provozem ukazovalo, na jedné straně tím, že instalace původních zařízení probíhala dosti živelně (namontovalo se to, co bylo zrovna po ruce, a většinou bez projektu, příp. při výměně doslouživšího zařízení – pokud např. čerpadlo bylo slabé, tak se koupilo druhé, větší…). Na druhé straně nebylo možné podstoupit riziko, že například instalací slabšího čerpadla nebude spolehlivě probíhat výroba, čímž by došlo k daleko vyšším ztrátám, než hledáním optimální velikosti nového zařízení.
Rovněž použití tlakově nezávislých regulačních ventilů se ukázalo velkým přínosem, protože i přes tak výrazné snížení skutečného odběru tepla nedošlo k žádné nestabilitě v regulačním okruhu.
Tyto relativně nové typy armatur tvoří velmi účinný nástroj pro řešení problémů v systémech s proměnným průtokem. Menší nevýhodou se může jevit u některých typů potřeba vyššího dispozičního tlakového spádu na armatuře (pro funkci regulátoru tlaku) a vyšší citlivost na eventuální nečistoty v potrubí. Naopak velkou výhodou je, že v jedné armatuře může být skloubena funkce více armatur (regulátor tlaku, omezovač průtoku, možnost kontrolního měření průtoku, event. také uzavírání, vypouštění, filtr).
I když v jednotlivých technologických větvích je stálý průtok, byly instalovány do vratného potrubí ruční vyvažovací ventily pro možnost diagnostiky a zejména pro možnost snížení neregulovaného průtoku, a tím žádaného zvýšení teplotního spádu. U některých větví se však rovněž ukázalo, že jimi proudí podstatně menší množství otopné vody, a ani při nastavení na minimální hodnoty se nepovedlo zcela úspěšně zvýšit teplotní rozdíl. Poučení pro příště: zvážit použití automatických vyvažovacích ventilů, u kterých lze eliminovat díky integrovanému regulátoru tlaku vliv dispozičního tlaku.
Obecně výhodou použití soustav s proměnným průtokem je možnost osazení oběhového čerpadla s frekvenčním měničem v základním „vysokoodporovém“ okruhu, a tím zásadně šetřit i elektrickou energii pro provoz hlavního oběhového čerpadla.
Závěr
Stále větší důraz (a ekonomický tlak) je kladen na hledání cest ke snižování energetické náročnosti, které může být důležitým prvkem v konkurenceschopnosti výrobků na trhu. Ukazuje se, že stále vysoký potenciál úspor je v průmyslových odvětvích, zejména těch, která dosud neprošla zásadnější rekonstrukcí, ať už výroby, či energetického hospodářství.
Utilization of waste heat from cooling unit
Industrial heat pump used for technological cooling is described in this article. Industrial heat pump is heat pump with heat output higher than 500 kW. Heating and cooling system principle is described. Utilization of waste heat is showed for real installation.
Keywords: heat pump, industrial heat pump, waste energy